智慧用能系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用

陶俊 章兵

（安徽繼遠(yuǎn)軟件有限公司，安徽合肥 230088）

0.引言

隨著當(dāng)前社會(huì)的不斷發(fā)展，電力作為保障國(guó)家經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定運(yùn)行的命脈，其配送電質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。同時(shí)，隨著電力市場(chǎng)改革的不斷推進(jìn)，提升電力企業(yè)的服務(wù)質(zhì)量，保障電力的輸送水平，是當(dāng)前國(guó)家電網(wǎng)公司改革的一個(gè)重點(diǎn)，也是難點(diǎn)。配電站作為配電網(wǎng)的重要環(huán)節(jié)，是配電網(wǎng)的主要運(yùn)行信息監(jiān)測(cè)者和調(diào)度控制執(zhí)行者。隨著配電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，使得配電站采集的數(shù)據(jù)和實(shí)現(xiàn)的控制功能也越來(lái)越豐富，迫切需要一個(gè)智能數(shù)據(jù)處理分析系統(tǒng)，具備強(qiáng)大的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)能力，提高配電系統(tǒng)信息共享和調(diào)度運(yùn)維效益優(yōu)化。目前，集成技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、傳感器技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)日漸成熟，為傳統(tǒng)配電站的智能化升級(jí)提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。對(duì)于計(jì)劃通過(guò)長(zhǎng)期持有配電房的用電企業(yè)來(lái)說(shuō)，必須通過(guò)高效的運(yùn)維管理方案來(lái)保障設(shè)備安全性，在企業(yè)降低運(yùn)維成本，提高配電站房的安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平，以適應(yīng)現(xiàn)代化管理的要求[1]。

1.配電網(wǎng)監(jiān)測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀

通過(guò)對(duì)配電網(wǎng)系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析得出，當(dāng)前配電站技術(shù)支持系統(tǒng)的研究仍然存在一些問(wèn)題，主要體現(xiàn)在：（1）當(dāng)前，配電網(wǎng)監(jiān)測(cè)主要集中在高中壓領(lǐng)域，對(duì)低壓用戶(hù)及企業(yè)用戶(hù)的研究相對(duì)較少，隨著低壓電網(wǎng)中分布式能源的快速增長(zhǎng)和滲透，低壓配電網(wǎng)需管理的設(shè)備種類(lèi)及數(shù)量越來(lái)越多，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)擴(kuò)展到低壓電網(wǎng)將成為研究熱點(diǎn)；（2）配電站仍采用傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方式，數(shù)據(jù)采集類(lèi)型少，且傳輸時(shí)延高，監(jiān)測(cè)手段單一，缺乏配電站信息的全面感知手段，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用研究較少，尚未建立統(tǒng)一的配電站運(yùn)行管控體系；（3）配電站技術(shù)支持系統(tǒng)的研究不夠全面，無(wú)法滿(mǎn)足配電設(shè)備全面感知、大數(shù)據(jù)應(yīng)用分析和用戶(hù)多樣化用能服務(wù)的需求，同時(shí)獲取的電力數(shù)據(jù)分散，形成了一個(gè)一個(gè)的“數(shù)據(jù)孤島”，無(wú)統(tǒng)一分析平臺(tái)，沒(méi)有辦法將所有數(shù)據(jù)打通，造成目前數(shù)據(jù)應(yīng)用以原始數(shù)據(jù)展現(xiàn)為主、橫向缺少數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析、縱向缺少數(shù)據(jù)挖掘、無(wú)法充分發(fā)揮數(shù)據(jù)價(jià)值的現(xiàn)狀[2]。

2.智能用能系統(tǒng)研究的關(guān)鍵點(diǎn)和難點(diǎn)

配電站房牽涉設(shè)備廠家多，聚集著眾多廠商的監(jiān)測(cè)設(shè)備，由于各廠商自己有一定的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，基本都是對(duì)本品牌或者聯(lián)盟間的產(chǎn)品追到互聯(lián)互通。大部分的監(jiān)測(cè)設(shè)備由于通訊標(biāo)準(zhǔn)尚未統(tǒng)一，設(shè)備之間無(wú)法實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通。如類(lèi)似電表的IEC61850協(xié)議、直流屏監(jiān)控模塊的CDT協(xié)議、保護(hù)的IEC101、IEC103協(xié)議等，即使是常見(jiàn)的MODBUS RTU協(xié)議對(duì)應(yīng)不同廠家，其協(xié)議也有差異。用戶(hù)在進(jìn)行智慧用能運(yùn)行監(jiān)測(cè)時(shí)需要更換原有設(shè)備，增加新的設(shè)備成本。因此，如何實(shí)現(xiàn)全協(xié)議數(shù)據(jù)接入是本研究的關(guān)鍵點(diǎn)。

電力監(jiān)控平臺(tái)在實(shí)際運(yùn)行中會(huì)接入大量的運(yùn)行數(shù)據(jù)，而對(duì)于大數(shù)據(jù)的處理來(lái)說(shuō)，數(shù)據(jù)的價(jià)值隨著時(shí)間推移而迅速下降，往往電力行業(yè)要求告警從發(fā)生到分析及告知用戶(hù)需求在一分鐘或十幾秒內(nèi)。針對(duì)電力監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)量大、處理時(shí)效性需求高、安全性要求高等特點(diǎn)，如何應(yīng)用更先進(jìn)的存儲(chǔ)技術(shù)以及提供更快更有價(jià)值的信息是本項(xiàng)目的關(guān)鍵點(diǎn)和難點(diǎn)。

沒(méi)有用電能效分析和管理，企業(yè)的綜合節(jié)能也無(wú)法實(shí)現(xiàn)，直接造成電能損耗，增添成本。因此，建立智慧用能平臺(tái)，研發(fā)設(shè)計(jì)智慧用能Web和移動(dòng)App系統(tǒng)，構(gòu)建用能體系，實(shí)現(xiàn)覆蓋安全用能、高效用能的一體化智慧用能系統(tǒng)是本次研究的重點(diǎn)。

3.智能用能系統(tǒng)采用的關(guān)鍵技術(shù)

開(kāi)展全協(xié)議數(shù)據(jù)接入關(guān)鍵技術(shù)研究，達(dá)到支持主流的通訊協(xié)議和數(shù)據(jù)協(xié)議，實(shí)現(xiàn)用戶(hù)側(cè)電氣量、運(yùn)維數(shù)據(jù)（溫濕度、零序電流、線纜溫度、變壓器溫度、火災(zāi)監(jiān)控、煙霧感應(yīng)、水浸感應(yīng)、門(mén)禁、攝像頭等）、生產(chǎn)管理數(shù)據(jù)的多設(shè)備高效采集，構(gòu)建用戶(hù)側(cè)物聯(lián)網(wǎng)，降低用戶(hù)設(shè)備投入成本，實(shí)現(xiàn)多維度數(shù)據(jù)的穩(wěn)定、高效采集，為大數(shù)據(jù)分析和應(yīng)用提供物聯(lián)支撐。

在網(wǎng)絡(luò)層面實(shí)現(xiàn)多協(xié)議接入，支持主流的通訊協(xié)議和數(shù)據(jù)協(xié)議，能夠支持采集運(yùn)維和生產(chǎn)管理側(cè)數(shù)據(jù)，預(yù)留多種電氣接口，能夠迅速組網(wǎng)并接入多種設(shè)備。若用戶(hù)已有相關(guān)采集設(shè)備，無(wú)需新增，使用戶(hù)能夠以超低的成本將設(shè)備接入物聯(lián)網(wǎng)，相較于傳統(tǒng)接入直接降低成本20%以上。

應(yīng)用“分布式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)+RabbitMQ消息隊(duì)列”形式，提高數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理效率。把原有傳統(tǒng)集中的存儲(chǔ)服務(wù)器存放所有數(shù)據(jù)改為分布式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)使用企業(yè)中的每臺(tái)機(jī)器上的磁盤(pán)空間，將這些分散的存儲(chǔ)資源構(gòu)成一個(gè)虛擬的存儲(chǔ)設(shè)備。數(shù)據(jù)分散存儲(chǔ)在企業(yè)的各個(gè)角落，不僅提高了系統(tǒng)的可靠性、安全性，也提高了數(shù)據(jù)的存取效率，易于擴(kuò)展。針對(duì)電力數(shù)據(jù)監(jiān)控的特殊性和要求，采用RabbitMQ消息隊(duì)列的形式將底層采集的數(shù)據(jù)源源不斷地往上層系統(tǒng)傳輸，這些數(shù)據(jù)可以為不同服務(wù)按需訂閱使用，極大地提高了時(shí)效性和數(shù)據(jù)通用性。

對(duì)海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和處理技術(shù)進(jìn)行研究：（1）研究微服務(wù)架構(gòu)，通過(guò)將功能逐項(xiàng)分解到各個(gè)離散服務(wù)器中，以提升服務(wù)器對(duì)數(shù)據(jù)的高敏捷性、高穩(wěn)定性及高擴(kuò)展性，提升用戶(hù)體驗(yàn)。（2）研究分布式存儲(chǔ)技術(shù)，利用分布式存儲(chǔ)優(yōu)勢(shì)，試用對(duì)多臺(tái)存儲(chǔ)服務(wù)器優(yōu)化配置以分擔(dān)存儲(chǔ)負(fù)荷，同時(shí)利用位置服務(wù)器定位數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)信息進(jìn)一步提升系統(tǒng)可靠性、可用性和存取效率。（3）研究數(shù)據(jù)流式處理技術(shù)，減少系統(tǒng)間耦合程度，以異步形式加快系統(tǒng)響應(yīng)速度，合理分配服務(wù)器資源，進(jìn)行削峰填谷。

利用云計(jì)算、人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、5G與“互聯(lián)網(wǎng)+”服務(wù)理念相結(jié)合，通過(guò) “線上+線下”的有機(jī)融合打造企業(yè)智慧用能平臺(tái)，為用戶(hù)提供管家式的配電智慧運(yùn)維或代維服務(wù)、能效監(jiān)測(cè)與管控、用電信息采集、綜合能源管理、增值服務(wù)等一站式用電管理服務(wù)，主要具備以下主要功能模塊：

在運(yùn)行監(jiān)測(cè)方面，通過(guò)圖形化的方式直觀監(jiān)控配電室的電氣設(shè)備、環(huán)境、安防等運(yùn)行狀態(tài)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)（如電壓、電流、溫度、用電量等），支持自定義監(jiān)控畫(huà)面和Web展現(xiàn)頁(yè)面，所見(jiàn)即所得，用戶(hù)可同時(shí)通過(guò)Web端和手機(jī)App查看配電室實(shí)時(shí)運(yùn)行狀況。

在智能運(yùn)檢方面，通過(guò)“巡檢管理+一鍵報(bào)修+工作評(píng)估”智能運(yùn)檢模式實(shí)現(xiàn)智能化自動(dòng)巡檢和工單派發(fā)，任務(wù)快速響應(yīng)，打造便捷高效的運(yùn)檢人員工作站，全面提升運(yùn)維效率和工作體驗(yàn)。

在能效管理方面，通過(guò)對(duì)企業(yè)用能數(shù)據(jù)的全面計(jì)算，以及同比、環(huán)比等各種變化趨勢(shì)分析，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)各種異常負(fù)載情況，為節(jié)能降耗提供有力的依據(jù)；手機(jī)App還能提供電能質(zhì)量分析功能，為電能質(zhì)量的優(yōu)化提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)；同時(shí)，企業(yè)也可以通過(guò)App查詢(xún)統(tǒng)計(jì)用能情況及時(shí)做出設(shè)備調(diào)度和用電調(diào)整[3]。

在設(shè)備資產(chǎn)管理方面，可以提供設(shè)備的全生命周期管理，實(shí)現(xiàn)設(shè)備從出廠安裝調(diào)試到上限運(yùn)行維護(hù)再到設(shè)備報(bào)廢的周期管理，通過(guò)流程管理輔助措施實(shí)現(xiàn)各種設(shè)備的高效運(yùn)行延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命，為企業(yè)創(chuàng)造價(jià)值；通過(guò)對(duì)設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)、維修保養(yǎng)數(shù)據(jù)的記錄和分析，給出預(yù)防性維保建議。

在數(shù)據(jù)增值方面，通過(guò)云計(jì)算、人工智能和大數(shù)據(jù)分析技術(shù)對(duì)電氣設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，推算出用電結(jié)構(gòu)性規(guī)劃建議，完成從經(jīng)驗(yàn)分析向大數(shù)據(jù)分析的轉(zhuǎn)變；通過(guò)平臺(tái)龐大的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)及大數(shù)據(jù)分析對(duì)外提供節(jié)能改造服務(wù)、電能質(zhì)量質(zhì)量、咨詢(xún)服務(wù)、電能替代等數(shù)據(jù)增值服務(wù)。

4.智能用能系統(tǒng)應(yīng)用方案和成果

從智慧用能需求分析著手研究智慧用能業(yè)務(wù)需求，開(kāi)展系統(tǒng)功能需求及性能需求分析，在功能需求和性能需求分析基礎(chǔ)上深入研究各項(xiàng)功能具體實(shí)現(xiàn)方法、移動(dòng)數(shù)據(jù)安全傳輸方法，提出軟件功能設(shè)計(jì)規(guī)范，并按照該設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行自主設(shè)計(jì)智慧用能系統(tǒng)，最后通過(guò)試點(diǎn)應(yīng)用對(duì)各項(xiàng)研究成果加以驗(yàn)證。各階段工作如圖1所示。

圖1 應(yīng)用進(jìn)程模型

通過(guò)本系統(tǒng)的建設(shè)：（1）可以實(shí)現(xiàn)用能隱患的顯性管理、預(yù)測(cè)預(yù)警，通過(guò)系統(tǒng)運(yùn)行的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析顯示，排查導(dǎo)致溫度過(guò)高等電氣線路隱患，隱性隱患通過(guò)智慧用能系統(tǒng)可以轉(zhuǎn)化為顯性的數(shù)據(jù)展示和隱患預(yù)測(cè)預(yù)警，通過(guò)短信等方式提醒用能企業(yè)；智慧用能系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)用電設(shè)備和線路的全程監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)傳送，彌補(bǔ)了“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”人防的缺陷、實(shí)現(xiàn)隱患缺陷早發(fā)現(xiàn)、早預(yù)警、早治理。（2）豐富電力安全生產(chǎn)社會(huì)化服務(wù)內(nèi)容，提高了服務(wù)效率；通過(guò)技術(shù)服務(wù)手段為用能企業(yè)提供隱患排查服務(wù)，解決了企業(yè)“查不出”隱患、“管不好”安全用電的難題；與此同時(shí)，通過(guò)智慧用能系統(tǒng)監(jiān)控平臺(tái)，為電工協(xié)會(huì)、行業(yè)組織等衍生出專(zhuān)業(yè)的電力技術(shù)服務(wù)隊(duì)伍或機(jī)構(gòu)提供了條件，便于中小微企業(yè)及時(shí)購(gòu)買(mǎi)服務(wù)、及時(shí)消除安全隱患，即降低用能企業(yè)專(zhuān)門(mén)雇用人員的成本支出、又提高服務(wù)的針對(duì)性有效性。（3）為日常監(jiān)督提供技術(shù)支撐，智慧用能系統(tǒng)在為用能企業(yè)隱患排查治理提供便利的同時(shí)，也可以為用能企業(yè)提供提高監(jiān)管實(shí)效的途徑選擇；通過(guò)智慧用能系統(tǒng)平臺(tái)大數(shù)據(jù)分析梳理出不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)的用電隱患預(yù)警相對(duì)集中的部分，用能企業(yè)依據(jù)數(shù)據(jù)分析有針對(duì)性地組織隱患自查自改工作；另一方面，通過(guò)平臺(tái)數(shù)據(jù)用能企業(yè)可以了解到企業(yè)內(nèi)部電氣客觀真實(shí)的安全運(yùn)行狀況記錄、隱患發(fā)生及消除進(jìn)展過(guò)程。

基于大數(shù)據(jù)、人工智能和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)打造的智慧用能平臺(tái)，為用戶(hù)降低運(yùn)維成本，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，節(jié)省電費(fèi)，提高配電運(yùn)行安全，智能監(jiān)控，提升可靠性，消除運(yùn)行、巡檢盲區(qū)，減少故障停電次數(shù)，縮減故障停電時(shí)間，保障用電質(zhì)量。

提高人力資源利用，增加工作效率。通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)即可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電氣設(shè)備的運(yùn)行情況，有效地減少了現(xiàn)場(chǎng)巡檢次數(shù)，能更合理地分配運(yùn)檢班組的工作；結(jié)合多種監(jiān)控手段，可精確定位故障點(diǎn)，搶修人員可以第一時(shí)間處理故障點(diǎn)，減少故障排查時(shí)間，提高工作效率，智慧用能運(yùn)用后可降低30%～60%運(yùn)維人力成本。

制訂針對(duì)性運(yùn)檢計(jì)劃。通過(guò)對(duì)企業(yè)空間和時(shí)間兩個(gè)維度的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，生成不同時(shí)間段需要重點(diǎn)關(guān)注的運(yùn)檢方向，制訂針對(duì)性計(jì)劃，提升5%～20%設(shè)備使用壽命。

進(jìn)入大數(shù)據(jù)分析時(shí)代。通過(guò)云計(jì)算、人工智能、大數(shù)據(jù)分析技術(shù)對(duì)電氣設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，推算出用電結(jié)構(gòu)性規(guī)劃建議，完成從經(jīng)驗(yàn)分析向大數(shù)據(jù)分析的轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)提升15%～30%管理效率，節(jié)約5%～15%電能費(fèi)用。

通過(guò)聯(lián)合電氣設(shè)備制造商、專(zhuān)業(yè)運(yùn)維公司、電力工程公司、綜合能源服務(wù)商等合作伙伴對(duì)現(xiàn)有變配電系統(tǒng)信息化系統(tǒng)進(jìn)行功能模塊重構(gòu)、微服務(wù)化改造，構(gòu)建智慧用能平臺(tái)，打造“平臺(tái)＋移動(dòng)應(yīng)用＋專(zhuān)家團(tuán)隊(duì)”的立體化綜合服務(wù)體系，為用戶(hù)提供用能咨詢(xún)、智能運(yùn)檢、能效分析、設(shè)備資產(chǎn)、綜合能源、增值服務(wù)等一站式智能用電服務(wù)。

5.結(jié)語(yǔ)

智慧用能是以能源及其設(shè)施為基礎(chǔ)，以電力網(wǎng)絡(luò)為核心，依托互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等新技術(shù)對(duì)能源的生產(chǎn)、運(yùn)輸、儲(chǔ)存和消費(fèi)過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)分析和優(yōu)化處理，并通過(guò)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化手段實(shí)現(xiàn)用能的安全、高效、綠色、智慧應(yīng)用。智慧用能系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于電力、交通、建筑、城市等領(lǐng)域，智慧用能系統(tǒng)貫穿用能產(chǎn)業(yè)服務(wù)全過(guò)程，構(gòu)建的面向能源互聯(lián)網(wǎng)的“智慧用能大腦”，匯聚政府、能源互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈上下游和多方用能運(yùn)營(yíng)商資源，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)引流、產(chǎn)業(yè)賦能，助力打造智慧用能產(chǎn)業(yè)生態(tài)。平臺(tái)支撐“區(qū)域、園區(qū)、企業(yè)”三級(jí)應(yīng)用，服務(wù)政府、用能運(yùn)營(yíng)商、用能消費(fèi)者等用戶(hù)，提供綠色、安全、經(jīng)濟(jì)、高效、增值的多元化智慧用能服務(wù)。同時(shí)，推進(jìn)智慧用能數(shù)字化進(jìn)程，提升企業(yè)能效，提高社會(huì)認(rèn)知度，從而進(jìn)一步提升企業(yè)品牌，擴(kuò)大企業(yè)知名度，最終產(chǎn)生潛在價(jià)值。